專利名稱：一種激光照明距離選通成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一 種激光照明距離選通成像裝置，屬于激光成像技術(shù)領(lǐng) 域，適用于需要消除大氣后向散射，在低照度、背景復(fù)雜條件下獲取目 標(biāo)圖像信息的條件下使用，特別廣泛用于光電偵察、監(jiān)視、跟蹤等設(shè)備 中。
背景技術(shù)：
目標(biāo)的圖像信息是偵察、監(jiān)視、跟蹤類設(shè)備需要獲取的重要信息之 一?，F(xiàn)有技術(shù)中有兩類獲取這一重要信息的裝置
一類是ccd相機(jī)、紅外熱像儀。它是通過探測n標(biāo)的可見光、紅外 線輻射獲取目標(biāo)的圖像信息，作用距離遠(yuǎn)，被動探測，因此，隱蔽性好，
b經(jīng)成功的應(yīng)用到各種光電設(shè)備中。但是，ccd相機(jī)的主要不足是在 環(huán)境照度低、能見度差的情況下，作用距離有限；紅外熱相儀的主要不 足是4目標(biāo)f ;f背景的溫差較小時，其分辨率和作用距離都急劇下降；
另外，當(dāng)n標(biāo)隱藏于偽裝網(wǎng)、煙幕、樹林等R標(biāo)后，ccd相機(jī)、紅外熱
像儀都無法獲取目標(biāo)的圖像信息。
還有 一 類是激光主動照明成像裝置。它可以提高成像系統(tǒng)在環(huán)境照 度低、能見度差等情況下的作用距離和成像清晰度?，F(xiàn)有激光主動照明 成像裝置多采用8()()nm—90()nm波段半導(dǎo)體激光器作為照明光源，采用 普通近紅外ccd相機(jī)成像，其主要不足是①人眼無法直接看到800nm 一 900nm波段的光，該波段的激光照射到人眼后，晶狀體對其吸收較少， 大部分聚焦到視網(wǎng)膜上，容易造成不可恢復(fù)的傷害，甚至失明；②普 通近紅外ccd相機(jī)的靈敏度較低，作用距離有限；③當(dāng)激光器的發(fā)射 功率較大時，后向散射比較嚴(yán)重
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有激光主動照明成像裝置存在的不足， 提供一種激光照明距離選通成像裝置，采用脈沖1. 5u m 1.6y m窄脈 沖人眼安全激光對目標(biāo)進(jìn)行照明，增加目標(biāo)與背景的對比度；采用距離 選通技術(shù)獲取目標(biāo)的圖像信息，提高系統(tǒng)的作用距離。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種激光照明距離選通成像裝置，包括激光 器、近紅外相機(jī)、同步控制單元、接收望遠(yuǎn)鏡、圖像信號處理器、中 央處理單元、圖像顯示器；所述激光器為脈沖人眼安全激光器，其輸出 波長為1.5nm 1.6ym;所述同步控制單元包括光電二極管、計時單 元、距離選通快門。
所述的激光器為脈沖固體激光器。
所述的激光器輸出波長為1.57um。
所述的激光器為輸出波長為1.54u m。
所述激光器有 一 個諧振腔；該諧振腔所包括的構(gòu)件按光的進(jìn)入順序 依次為全反鏡、電光晶體、1/4波片-、偏振片(13)、 Ce : Nd: YAG 激光棒、OPO輸入鏡、KTP晶體、OPO輸出鏡；其屮全反鏡、0P()輸出 鏡組成1 ()64關(guān)激光諧振腔；0P0輸入鏡、0P0輸出鏡組成1 570nm激光諧振腔。
所述激光器是屯光調(diào)Q激光器，或被動調(diào)Q激光器。
所述OPO輸入鏡和OPO輸出鏡的膜層鍍在KTP晶體兩端面上。
所述計時單元計時精度為± 2ns 。
所述近紅夕卜相機(jī)采用InGaAs近紅夕卜EBCCD、EBCMOS相豐幾，或HgCdTe 近紅外相機(jī)。
本發(fā)明人眼安全激光照明距離選通成像裝置的工作原理如K : 人眼安全激光照明距離選通成像裝置的激光發(fā)射單元首先向目標(biāo) 發(fā)射 一 個激光脈沖，通過測距單兀獲得目標(biāo)的距離信息，調(diào)整同歩控制 單元的距離預(yù)置；然后激光發(fā)射單元再對目標(biāo)發(fā)射 一 個激光脈沖，對目 標(biāo)實施照明，此時關(guān)閉探測成像單元的選通門，同時同歩控制單元中的 高精度計數(shù)器開始記數(shù)，經(jīng)過預(yù)置時間后，開啟選通門，從目標(biāo)反射回 來的光能量經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡收集進(jìn)入探測成像單兀，經(jīng)圖像信號處理，最 大限度的抑制因激光時間相干性而產(chǎn)生的散斑，并對大氣擾動進(jìn)行補(bǔ) 償，進(jìn)時交由綜合顯示控制單元疊加距離、角度等信息后顯示圖像。本發(fā)明的人眼安全激光照明距離選通成像裝置具有以下優(yōu)點
(1) 采用人眼安全固體激光器作為照明光源，對人眼相對安全；
(2) 使用窄脈沖人眼安全激光主動照明增加了目標(biāo)與背景的對比 度，作用距離遠(yuǎn)；
(3) 在相同的口徑下，與中波、長波紅外熱像儀相比分辨率更高；
(4) 相機(jī)的積分時間僅有幾十納秒，對安裝平臺的穩(wěn)定性要求不高；
(5) 具有一定的穿透能力，采用距離選通技術(shù)可以消除大氣后向散 射的影響，可以獲取隱藏于偽裝網(wǎng)、煙幕后目標(biāo)的圖像信息，即可以探 測隱藏于植被、偽裝網(wǎng)中的目標(biāo)；
(6) 可以在低照度的情況下工作，受背景輻射的影響??；
(7) 抗電磁干擾能力強(qiáng)；


圖1 是本發(fā)明裝置原理框圖2 是本發(fā)明裝置距離選通同步控制單元工作時序圖3 是本發(fā)明裝置激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖4 是本發(fā)明裝置距離選通問歩控制單兀原理框圖。
圖屮
l一激光器，2—偏振分光棱鏡，3—目標(biāo)， 4一同歩控制單元， 5—InGaAs相機(jī)，6—接收望遠(yuǎn)鏡，7—圖像信號處理，8—中央處理單 元，9—圖像顯示，IO—全反鏡，ll一KD樸電光晶體，12—1/4波片， 13—偏振片，14一Ce: Nd: YAG激光棒，15—0P0輸入鏡，16—KTP 品體，17—OPO輸出鏡，18—光電二極管，19一計時單兀，20—距離 選通快門。
具體實施例方式
結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn) 一 步說明如下-實施例1:
如圖K圖3 、圖4所示， 一 種激光照明距離選通成像裝置，它由 激光器1、 近紅外相機(jī)5、同歩控制單元4、接收望遠(yuǎn)鏡6、圖像信號 處理器7 、中央處理單元8及圖像顯示器9組成；所述激光器為脈沖人眼安全激光器，其輸出波長為1.5y m 1.6u m，本實施例波長為 1.57 y m;所述同步控制單元由光電二極管18、計時單元19、距離選通 快門20組成。激光器l為脈沖固體激光器。所述激光器l有一個諧振 腔；該諧振腔所包括的構(gòu)件按光的進(jìn)入順序依次為全反鏡10、電光晶 體11、 1/4波片12、偏振片13、 Ce: Nd: YAG激光棒14、 OPO輸入 鏡15、 KTP晶體16、 OPO輸出鏡17;其中全反鏡10、 0P0輸出鏡17組 成1064nm激光諧振腔；0P0輸入鏡15、 0P0輸出鏡17組成1570nra激光 諧振腔。激光器1是電光調(diào)Q激光器。為了進(jìn)一步減小激光器的體積、 重量，所述OPO輸入鏡15和OPO輸出鏡17的膜層鍍在KTP晶體16 兩端面上。所述同步控制單元的計時單元計時精度為士2ns。所述近紅 夕卜相禾幾5采用InGaAs近紅夕卜EBCCD、 EBCMOS相*幾。
以下結(jié)合原理進(jìn) 一 步說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)和技術(shù)效果 如圖1所示人眼安全激光器1將激光電源提供的注入能量轉(zhuǎn)化為 人眼安全脈沖激光，并將其耦合進(jìn)入發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)射向R標(biāo)3 ，由R標(biāo) 反射回來的激光經(jīng)接收望遠(yuǎn)系統(tǒng)6聚焦到I n(;aAs相機(jī)5上，從相機(jī)5 輸出的閣像信號經(jīng)圖像信號處理7送給屮央處"元，最后在圖像顯示 9顯示出來。
激光距離選通可以分為四個階段
1激光器發(fā)射脈沖激光，激光脈沖向目標(biāo)方向傳輸。這時接收器的 選通門是關(guān)閉的；
2當(dāng)激光脈沖處于往返途中時，會受到大氣吸收、散射、后向散射 和背景輻射等影響，尤其是強(qiáng)烈的后向散射光往往會將有用的信號淹 沒，使接收器飽和向'無法接收有用的光信號，這時攝像機(jī)的選通門是關(guān) 閉的，這樣就擋住了大氣中懸浮微粒引起的后向散射光；
3當(dāng)反射光到達(dá)攝像機(jī)時，選通門開啟，讓來自目標(biāo)的反射光進(jìn)入 攝像機(jī)，選通門開啟持續(xù)時間與激光脈沖相當(dāng)。
4接收到從目標(biāo)反射回來的激光脈沖信號后，再將選通門關(guān)閉，使 背景輻射等其他的千擾光不能進(jìn)入接收器，這樣形成的目標(biāo)圖像主要與 距離選通時間內(nèi)的反射光有關(guān)。如果選通脈沖寬度和激光脈沖寬度都很 窄，使接收器只能探測目標(biāo)附近的反射光，這樣大大提高了回波信號的 信噪比。圖2所示為距離選通同步控制單元工作波形。其中波形A為激光 脈沖照明輸出，由激光器確定波形；波形B為激光向目標(biāo)傳輸過程中產(chǎn) 生的后向散射，成像時通過相機(jī)的開關(guān)門來消除后向散射；波形C為 激光脈沖由目標(biāo)返回到接收器上的反射輻射，當(dāng)脈沖到達(dá)接收器時，相 機(jī)的快門開啟；波形D為接收器的選通脈沖，t為延遲脈沖發(fā)生器的 延遲時間，^為接收器的選通脈沖寬度。
距離選通同步控制技術(shù)主要是使激光器和攝像機(jī)同步，提供選通脈 沖寬度和延遲時間選擇。同步控制單元主要由使快門開啟與激光照射同 步的定時電路組成，定時時間取決于激光脈沖傳輸?shù)侥繕?biāo)上再反射到接 收器所需要的時間。圖2以目標(biāo)位于1200m為例，給出了對目標(biāo)進(jìn)行觀 察時理想距離選通成像的時序關(guān)系圖。
由于激光脈沖在1200m距離上來回傳輸?shù)臅r間是8us ，所以選通脈 沖應(yīng)在照明脈沖前沿后延遲8us 。圖中，波形A為激光脈沖照明輸出，
波形b為脈沖激光向n標(biāo)傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射，波形c為激光
脈沖山R標(biāo)返回到接收器上的反射輻射，波形D為接收器的選通脈 沖，t為延遲脈沖發(fā)生器的延遲時間，".為接收器的選通脈沖寬度。
實施例2:
與上述實施例1不同的是激光器1為肓接輸出人眼安全激光的鉺
玻璃激光器，輸出波長為1.54 y m，是被動調(diào)Q激光器；近紅外相機(jī)5采 用HgCdTc、近紅夕卜相禾幾。
激光器輸出波長為1.6 ii m則乂是 一 個實施例。
權(quán)利要求
1、一種激光照明距離選通成像裝置，其特征在于包括激光器(1)、近紅外相機(jī)(5)、同步控制單元(4)、接收望遠(yuǎn)鏡(6)、圖像信號處理器(7)、中央處理單元(8)、圖像顯示器(9)；所述激光器(1)為脈沖人眼安全激光器，其輸出波長為1.5μm～1.6μm；所述同步控制單元包括光電二極管(18)、計時單元(19)、距離選通快門(20)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征在于 所述的激光器(1)為脈沖固體激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征 在于所述的激光器(1)輸出波長為1.57ii m。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征 在于所述的激光器(1)為輸出波長為1.54um。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征 在十所述激光器(1)有一個諧振腔；該諧振腔所包括的構(gòu)件按光的進(jìn)入 順序依次為全反鏡(10)、電光晶體(11 )、 1/4波片(12)、偏振片(13)、 Ce: Nd: YAG激光棒(14)、 OPO輸入鏡(15)、 KTP晶體(16)、 OPO 輸出鏡(17);其巾全反鏡(IO)、 0P0輸出鏡(17)組成1064nm激光諧振 腔；OPO輸入鏡(1 5) 、 ()PO輸出鏡(1 7)組成1 57()nm激光諧振腔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征在于 所述激光器(1)是電光調(diào)Q激光器，或被動調(diào)Q激光器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征在于 所述OPO輸入鏡(15)和OPO輸出鏡(17)的膜層鍍在KTP晶體(16)兩端面上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征在于 所述計時單元計時精度為± 2ns 。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光照明距離選通成像裝置，其特征在于 戶萬述近紅夕卜相禾幾(5)采用InGaAs近紅夕卜EBCCD 、 EBCMOS相禾幾，或HgCdTe 近紅外相機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光照明距離選通成像裝置，屬于激光成像技術(shù)領(lǐng)域，包括激光器、近紅外相機(jī)、同步控制單元、接收望遠(yuǎn)鏡、圖像信號處理器、中央處理單元、圖像顯示器及同步控制單元；所述的激光器為輸出人眼安全激光的、輸出波長為1.5μm～1.6μm的激光器；所述同步控制單元包括光電二極管、計時單元、距離選通快門。其主要特點是峰值功率高、對人眼相對安全、轉(zhuǎn)換效率高、靈敏度高。
文檔編號G01S17/89GK101614821SQ200910063240
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者峰 孫, 席文強(qiáng), 鑫 張, 張紅波, 王壽增, 凡 高 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一七研究所